通过光伏混合技术及预处理手段突破太阳能海水淡化的障碍，以实现高产且符合世界卫生组织标准（WHO）的水资源生产

《Desalination and Water Treatment》：Breaking Barriers in Solar Desalination Through Photovoltaic-Hybrid Technology and Pretreatment for High-Yield WHO-Compliant Water production

　　阿布巴卡尔·萨迪克·伊萨（Abubakar Sadiq Isah）、胡斯纳·宾特·塔凯尤丁（Husna Bint Takaijudin）、巴尔比尔·辛格·马欣德·辛格（Balbir Singh Mahinder Singh）、阿里尤·伊萨克（Aliyu Ishaq）、穆萨·易卜拉欣（Musa Ibrahim）、贾祖利·阿卜杜拉伊（Jazuli Abdullahi）
尼日利亚阿布贾巴泽大学（Baze University）土木工程系

**摘要**
在发展中国家用于水处理的传统太阳能蒸馏器在生产力方面存在局限性，且在去除某些营养物质（尤其是氨和硝酸盐）方面效果不佳。本研究提出了一种改进的混合太阳能海水淡化系统（EHSDS），该系统将光伏（PV）技术与传统太阳能蒸馏技术相结合，以提高水产量和污染物去除效率。该系统在被动模式、主动模式（光伏辅助模式）以及混合模式下进行了测试，分别测试了是否使用沙子、活性炭以及沙子-活性炭组合过滤器进行预处理的效果。结果表明，混合模式下的蒸馏器产量最高，达到20.3升/平方米·天，显著优于被动和主动模式。热效率达到了55.52%，表明能源利用更加高效。与传统系统不同，本研究重点关注了去除氨和硝酸盐等含氮化合物的挑战。实验表明，使用活性炭进行预处理大大提高了去除效率，氨的去除率达到了96.67%，硝酸盐的去除效果也得到了改善，从而使处理后的水质符合世界卫生组织（WHO）的标准。这些发现表明所提出的系统是一种适用于分散式水处理的高性能解决方案。此外，本研究还通过区分单位面积产率和总体日产出量，为现有混合海水淡化系统提供了更准确的比较依据。

**1. 引言**
地球上的水资源大约97.5%为咸水，主要存在于海洋和海域中，仅有2.5%为淡水，主要集中在 glaciers、河流和湖泊中。其中，只有0.03%的淡水无需经过太多处理即可直接使用[1]。由于人口增长、工业发展、城市扩张以及人类活动造成的污染，全球对淡水的需求不断上升，进一步加剧了这种有限资源的紧张局势[2]。清洁的水对于家庭和工业用途都至关重要[3]，然而传统的净水和分配系统面临诸多挑战，包括高昂的资本投入、较高的运营和维护成本、高能耗、水资源泄漏、地下水枯竭、污染问题以及农村地区缺乏清洁水源等财务限制[4]。
海水淡化技术为将大量咸水转化为可饮用水提供了潜在解决方案[5]。然而，如多级闪蒸蒸馏、电渗析和多效蒸馏等传统淡化方法通常成本较高，且需要复杂的操作和维护[6]。相比之下，太阳能蒸馏器是一种实用的选择，特别是在电力供应不稳定或难以获得集中式水处理基础设施的地区。这些系统利用太阳能蒸发不纯的水分，分离污染物，并将蒸汽冷凝成饮用水[7]。从经济角度来看，太阳能蒸馏的成本非常低，5至10年的使用寿命内平均每立方米淡水生产成本低约0.019美元[8]，远低于传统淡化方法的1.0至3.38美元/立方米[9]。不过，反渗透等技术的巨额前期投资使其不适用于小规模应用。标准太阳能蒸馏器的日产量通常仅有2至3.5升，可能无法满足所有家庭的需求[10]。太阳能蒸馏器的效率高度依赖于阳光照射[8]。为了解决间歇性日照和低热效率的问题，近期研究集中在使用相变材料（PCMs）进行潜热存储上，这些材料能在高峰时段吸收多余热量，并在夜间或云层覆盖时释放出来，以维持稳定的蒸发过程[11]。因此，也探索了其他分散式太阳能淡化方法，如太阳能驱动的加湿-除湿（HDH）系统，尽管成本较高[12]。HDH系统通过独立的加湿和除湿腔室提高传质效率，通常能全年保持高性能[12]，但普遍具有更高的机械复杂性和能耗[13]。
太阳能蒸馏器的蒸馏水质受多种因素影响：太阳辐射强度和持续时间有助于杀死病原体；较高的环境温度可提高蒸发速率和蒸馏产量，但需注意防止有机化合物挥发影响水质；适当降低湿度可加速蒸发，提高蒸馏质量；太阳能蒸馏器的设计和建造（包括坡度、朝向、材料选择、绝缘和冷凝表面特性）也会显著影响效率和蒸馏质量[14]。虽然太阳能热系统在蒸馏产量和质量方面已得到广泛研究，但结合太阳能发电（混合运行）的潜力尚未得到充分探索[15]。例如，有研究显示光伏集成太阳能蒸馏器的产量提高了9%（4升/天），但未评估其对蒸馏质量的影响[16]；另一项研究开发了光伏/热 active 太阳能蒸馏器，通过循环水实现了比传统系统高出2.5至5.5倍的产量（5.5升/天），但未进行质量评估[17]；还有研究将光伏板与倾斜式太阳能蒸馏器结合使用，日产量从3.7千克提高到7.3千克，但仍忽略了质量分析[18]。另有研究使用了双面太阳能热吸热器和聚光器，将蒸馏产量提高到5.75至8.65升/平方米·天，但未检测水质[19]；还有研究仅使用太阳能发电实现了8升/平方米·天的产量，并通过附加的热电冷却器和振动装置将产量提高到12.82升/平方米·天，但同样未验证水质[20]。一项关键综述比较了传统太阳能蒸馏器（2-5千克/平方米·天）与光伏/热混合系统（6-12千克/平方米·天，约4升/天），确认了混合系统的更高产量，但没有质量数据[21]。
大多数关于蒸馏质量的研究仅关注传统系统，而混合方法尚未得到充分评估。由于设计限制、材料相互作用、太阳辐射变化或运行模式等原因，可能存在人类腺病毒[22]、细菌[23]、药物（如布洛芬[24]）、重金属[25]和有机残留物等潜在污染物。解决这些问题对于确保混合太阳能蒸馏技术的安全性和可扩展性至关重要。

**2. 改进型混合太阳能淡化系统（EHSDS）的实验设计与配置**
**2.1 EHSDS的现场测试与性能评估**
所有实验阶段均使用海水作为进料水。第一个实验（被动模式）仅在白天依靠太阳辐射进行。在这种设置中，阳光透过玻璃棱镜加热并蒸发蒸馏池中的水，产生的蒸汽在棱镜表面冷凝，收集并测量每日蒸馏产量。使用日射强度计每小时记录太阳辐射强度，并计算每日平均值以供分析。
第二个实验（主动模式）采用完全由太阳能供电的光伏（PV）系统。光伏面板为电池充电，电池为电热水器供电，保持蒸馏池温度在80°C以促进蒸发。为隔离太阳能的影响，这个实验在夜间进行，消除了太阳辐射的干扰，单独收集和量化蒸馏产量。
第三个实验（混合模式）结合了被动和主动机制，利用直接太阳辐射和光伏辅助加热。白天，蒸馏器在自然阳光下运行，同时电加热器维持蒸馏池温度在60°C。这两种模式的蒸馏产物分别独立测量和储存。值得注意的是，前三项实验均使用未经预处理的原始海水。
主动模式的蒸馏池温度设定为80°C，混合模式的温度设定为60°C，这些温度是根据系统能量限制和优化考虑选定的。主动模式下的较高温度是通过光伏系统提供的电加热实现的，以最大化蒸发速率；混合模式则采用60°C的较低设定点，平衡热性能和可用的光伏电力及电池储存容量，从而在减少电能消耗的同时保证持续运行，提高整体系统能量效率。
为确保一致性和可重复性，在所有运行模式（被动、主动和混合）之前都对进料水进行了预处理。每次实验均使用相应的预处理方法（沙子、活性炭或沙子-活性炭组合），并将结果与未经预处理的进料水进行比较。

**2.2 预处理系统的配置**
预处理系统采用了三种配置：
1. 2千克活性活性炭；
2. 2.2千克河沙；
3. 沙子和活性炭的1:1混合物（各1千克）。

**图1**展示了实验装置，**表1**详细介绍了系统组件及其规格。

**表1. 改进型混合太阳能蒸馏系统组件的技术规格和功能描述**
| 组件 | 规格 | 描述/功能 |
|--------------|---------------------------|-------------------------|
| 光伏面板 | 每块面板300瓦；面积3,000平方厘米；单晶矩形 | 将太阳能转化为电能，为系统供电 |
| 盖玻棱镜 | 带不锈钢水通道 | 斜度45°；尺寸110厘米×60厘米×67厘米；集成不锈钢通道 | 使太阳辐射进入蒸馏池并促进蒸汽在内部表面冷凝 |
| 水池 | 厚度5毫米；尺寸90厘米×45厘米 | 用于蒸馏过程中的水蒸发 |
| 电池 | 容量200安时 | 存储光伏面板产生的电能，保证连续运行 |
| MPPT逆变器 | 混合型MPPT逆变器（容量未指定） | 稳定电能，将直流电转换为交流电并充电电池 |
| 组合箱 | 包含MCB、保险丝、定时器和保护装置 | 收容电气组件，提供系统保护和控制 |
| 定制交流加热器 | 500瓦；240伏交流电 | 提供额外的热能以促进蒸发 |
| 结构框架 | 轻质钢框架，带移动支架 | 提供机械支撑和系统移动性 |

**图2**展示了预处理系统的示意图，详细说明了其核心组件的连接方式。系统从进料口开始，将未经处理的海水引入过滤流程。首先是砂过滤器，通过机械过滤去除悬浮固体并降低水体浑浊度；随后是活性炭过滤器，通过多孔结构有效吸附有机污染物和异味物质；为了进一步净化，可选的混合过滤阶段结合了沙子和活性炭介质，同时利用机械过滤和化学吸附机制。系统最终通过出口输出预处理后的水，进行后续淡化处理。

**图3**展示了实验室条件下预处理系统的物理实现方式。实验装置包括相互连接的过滤模块、流量控制阀和监测端口，按顺序排列。此设置便于精确调节每个处理阶段的进水流量，同时 enables performance evaluation（性能评估）。这两个图表都是理解系统设计原则和操作方法的重要视觉辅助工具。下载：下载高分辨率图像（308KB）下载：下载全尺寸图像图3. 太阳能海水淡化集成预处理系统的实验配置。

2.2. 全面的水质评估

对通过三种运行配置产生的蒸馏水样本进行了全面的水质分析：被动太阳能辐射、主动光伏供电加热和混合太阳能-热能运行。水质分析遵循标准程序，并采取了适当的质量控制措施。样本收集在干净、密封的容器中，并在推荐的时间内进行分析，以防止降解。在每次测量之前，使用标准溶液对分析仪器进行校准。通过结合系统误差和随机误差来估计测量不确定性，其中随机误差部分来自重复测量，并使用标准误差传播方法纳入总体不确定性中。

在初步未经处理的试验之后，研究使用三种过滤介质配置评估了预处理效果：（i）2公斤活性炭，（ii）2公斤河沙，以及（iii）1:1混合介质床（1公斤活性炭+1公斤沙）。所有处理和未经处理的样本都经过了严格的质量评估，表2详细列出了从标准参考文献[30]中采用的完整分析参数、测试协议和相应方法。这种系统的评估框架能够在保持实验重复性的同时，对所有处理条件进行比较性能分析。表2. 评估的水质参数列表。

水质参数 | 简要程序
------------------|---------------------------
物理参数 | ------------|
•浊度 | 使用浊度计测量浊度，并通过放置蒸馏水样本来进行校准以获得零读数。
•盐度 | 使用盐度计分析盐度，并通过用蒸馏水轻轻提升盐度计的电极来校准，避免产生气泡。
•总悬浮固体（TSS） | 使用过滤装置、烤箱和分析天平分析TSS和TDS。

化学参数 | ------------|
•氨 | 使用分光光度计分析氨、硝酸盐、生化需氧量和化学需氧量。
•总溶解固体（TDS） | 使用分光光度计分析硝酸盐、氨、BOD和COD，并使用参考溶液（蒸馏水）进行校准以获得零读数。
•pH值 | 使用pH计测试pH值，并通过用蒸馏水冲洗pH计的电极并浸入缓冲溶液中来进行校准。

生物参数 | ------------|
•总大肠菌群 | 使用培养箱和密封剂测试/分析总大肠菌群和粪便大肠菌群。

图4、图5、图6、图7记录了用于进行全面水质分析的实验室设备和设置。下载：下载高分辨率图像（110KB）下载：下载全尺寸图像图4. 带磷酸消化的UV-Vis分光光度计和化学需氧量（COD）分析设置。下载：下载高分辨率图像（88KB）下载：下载全尺寸图像图5. 带溶液混合装置的pH测量站。下载：下载高分辨率图像（132KB）下载：下载全尺寸图像图6. 用于总悬浮固体（TSS）和总溶解固体（TDS）的过滤和重量分析工作站。下载：下载高分辨率图像（113KB）下载：下载全尺寸图像图7. 用于大肠菌群计数的微生物测试设施。

2.3. 仪器校准、测量不确定性和误差传播分析

所有分析设备在水质评估前都经过了严格的校准程序。浊度测量使用校准过的浊度计进行，蒸馏水作为零参考标准。氨、硝酸盐、化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）的定量分析使用针对蒸馏水空白进行了校准的分光光度法。盐度测定使用通过连续用蒸馏水冲洗（以防止气泡形成）和标准化缓冲溶液进行校准的基于电极的仪表。总悬浮固体（TSS）和总溶解固体（TDS）使用预处理的过滤装置、实验室烤箱和精密分析天平进行重量法测定。所有分析程序严格遵循标准化方法[30]。

测量不确定性被系统地评估，以考虑实验数据中的潜在误差。使用公式[31]量化了特定于仪器的不确定性：(1) u=a3（其中a表示仪器精度）。总测量误差计算为内在仪器误差和观察到的随机误差的平方和[32]。表3总结了所有水质参数的完整不确定性预算，包括百分比误差、标准不确定性和测量范围。这一全面的误差分析框架有助于正确解释结果可靠性，并识别分析工作流程中的关键控制点[33]。表3详细列出了每种水质分析仪器的测量精度参数，包括百分比误差、标准不确定性和操作范围。

表3. 水质仪器的校准和测量不确定性

| 实验室仪器 | 测量范围 | 精度 | 标准不确定性 | 百分比误差 |
|-------------------|--------------|-------------------|---------------------|
| 分析天平 | 0.9 mg或更好 | 0.0001至0.00001 g | 3.175×10?? | 0.129 |
| COD/PHOS反应器 | 10-45 ?C的操作范围 | ±0.2 ?C | 0.1155 | 1.373 |
| 溶解氧传感器 | 0至50 mg/L | ±0.2% | 0.1155 | 1.074 |
| DR2800分光光度计 | 340至900 nm | ±1.5 | 0.866 | 2.915 |
| 过滤装置 | 100至500 ml-6 | | | |
| 烤箱 | 0至340 ?C | - | | |
| 盐度计（1）–（2） | 0.00至10.0 ppt | ±1digit | 0.577 | 32.4 |
| 浊度计 | 0至1000 NTU | ±0.2% | 0.1155 | 2.09 |
| 触式混合器 | -- | -- | | |
| Quanti-Tray密封器 | 1至2000 | 0.01 | 0.577 | 0.39 |
| 测量烧杯 | 0–1000 ml | ±1 ml | 0.577 | 1.4 |

4. 增强型混合太阳能海水淡化系统的性能评估

太阳能蒸馏器的效率是一个关键的性能指标，用于量化系统将进水转化为净化蒸馏液的能力。该效率指标通常通过生成的蒸馏液体积与接收到的总太阳能之间的比例来确定。多个相互依赖的参数影响太阳能蒸馏器的性能，这些参数可以分为设计规格、环境变量和操作条件[34]。影响系统效率的主要因素包括：

1. 太阳辐射：太阳辐射的强度和持续时间显著影响蒸馏机制。增强的太阳通量密度通常会导致更高的蒸发率，从而提高系统的效率。
2. 热条件：内部温度的升高促进蒸发，从而提高效率。然而，极端的温度可能会引起不希望的热损失，从而降低整体性能。已经探索了先进的多级相变材料（PCM）配置来改善热调节。例如，三级系统可以通过使用具有不同熔点的材料来匹配昼夜温度变化，从而提高能量储存能力，特别是在炎热的气候条件下[35]。
3. 结构配置：物理设计特性，包括几何形状、尺寸参数和建筑材料，显著影响效率。关键方面包括热传递机制、冷凝表面尺寸和绝缘性能。
4. 热量散失：通过传导、对流和辐射途径发生的能量损失可能对效率产生不利影响。实施优化的绝缘和深思熟虑的设计修改可以减轻这些损失。
5. 液体柱高度：进水的垂直尺寸影响系统性能。减少水深可以增加蒸发表面积，通常会产生更高的效率。综合模型表明，浅层盐水深度（大约10毫米）与适中的PCM与盐的质量比（0.5–1）结合，最适合在3到5天内实现稳态运行。相反，过量的PCM或较深的盐层会显著延迟热稳定并降低整体效率[11]。

太阳能蒸馏系统的性能评估可以通过不同的效率指标来表征：

1. 热转换效率：该参数评估系统将入射太阳能转化为有用热能用于脱盐的能力。它计算为进水吸收的热能与总入射太阳能的比率，以百分比表示。使用两种具体的公式：
o即时热效率（ηtherm,hour）：将每小时水产量所需的能量与同时的太阳能输入相关联。
o累积热效率（ηtherm,day）：通过比较每日总蒸馏液输出与累计太阳能接收量来评估综合性能。

这些定量关系在参考文献[36]中通过公式2（每小时效率）和3（每日效率）数学表达。

(2)ηtherm,hour = m?×hfgIt×Abase
(3)ηtherm,day = Σm?×hfg∑It×Abase
其中：
•蒸馏水产量的速率为m˙，单位为千克/秒[kg/m2.day或L/m2.day]。
•盆地上的入射太阳辐射表示为I(t)，单位为瓦特/平方米[W/m2]。
•盆地的总面积表示为Abase，单位为平方米[m2]。
•潜热hfg，以焦耳/千克[J/kg]表示，根据盆地内的平均水温（Tavg）使用以下公式计算[36]：
hfg = [2501.9*103- 2.40706*103 * Tavg. + 1.192217 * (Tavg.)2 - 1.5863*10?2 * (Tavg.)3]

当使用海水作为进水时，也可以使用海水的潜热hfg = 2.26 × 10? J/kg。

在这项研究中，太阳能蒸馏器的每小时热效率是根据提供的参数（2）、（3）计算的：
I = 太阳能蒸馏器运行期间的平均每小时太阳辐射强度 = 800.44 W/m2
Abase = 盆地的面积 = 0.405 m2
m = 平均每小时脱盐水量（分别为3.8 L/m2.day、7.5 L/m2.day和6.9 L/m2.day，对应于太阳能辐射的联合模式和主动模式）。

3. 转换效率分析

转换效率是一个综合性能指标，用于评估整个太阳能到蒸馏液的能量转换过程。该参数结合了热能转换效率和蒸馏过程的有效性，考虑了多种系统特性，包括热损失、蒸发能量需求和操作效率。转换效率以百分比表示，使用公式（5）计算。

应当强调的是，太阳能蒸馏器的效率会根据特定的操作参数和系统配置显示出显著的变化。通常需要进行严格的实验评估，以准确评估任何给定太阳能蒸馏器设计在特定环境条件下的性能特征。虽然PCM的整合在热稳定性和夜间生产方面提供了显著的好处，但从理论角度来看，必须权衡增加的材料成本和潜在的日间产量减少与总日产量，以确保经济可行性[37]。更高的转换效率值直接对应于更有效的太阳能利用效率。报告的太阳能蒸馏系统效率值范围大约从6%到60%，这一广泛的范围反映了系统设计、操作参数和环境条件的差异。更高的转换效率值直接对应于更有效的太阳能利用效率[38]。

(5)太阳能蒸馏器转换效率η=QIA×100
Q是流体或太阳能蒸馏系统获得的总有用热量，如公式（6）所示。

(6)Q=m*Hfg
ηth = 系统的热效率
m = 产生的蒸馏液质量（kg）
hfg = 蒸发潜热（J/kg）
Q = 总热输入（J）

效率术语ηth专门用于表示系统热性能，在生产力计算中不重复使用，以避免歧义。

4. 结果和讨论

4.1. 增强型混合太阳能海水淡化系统的蒸馏液生产性能

实验结果显示，在各种操作模式下，日蒸馏液产量有显著提高。被动太阳能辐射模式的最大产量为4.7 L/m2·day，而主动光伏供电热模式的产量达到了显著的19.7 L/m2·day。在混合运行（结合太阳能和热能）中观察到了最佳性能，达到20.3 L/m2·day - 相比传统被动运行提高了332%。这一性能显著超过了可比研究中报告的蒸馏液产量，证明了混合配置的技术优势。光伏集成实现了连续24小时运行，存储的太阳能能量维持了夜间生产 - 这对于可靠的水供应是一个关键进展。图8展示了生产产量的比较分析，清楚地展示了系统混合化的定量好处：

1. 从被动模式到主动模式的显著性能飞跃。
2. 太阳能-热能组合运行的协同效应。
3. 夜间脱盐的突破能力。

这些结果验证了该系统作为一种高效、可持续的分散式清洁水生产解决方案的创新设计，特别是在不受太阳能可用性影响的情况下保持一致产量的关键挑战方面。光伏存储与热脱盐的技术集成代表了太阳能蒸馏工程的重大进步，克服了依赖日光运行的传统限制。

图9展示了被动太阳能蒸馏器运行的实验结果，研究了各种气象参数如何影响系统性能。该图清楚地建立了环境条件与蒸馏液产量之间的关系，显示了风速、太阳辐射强度、环境温度和相应水产量的小时波动。在整个实验期间，每30分钟记录一次太阳辐射和风速的测量值，并计算了每小时平均值进行分析。结果表明，太阳辐射强度是影响产量的最重要的因素，显示出与蒸馏液产量直接的正相关关系。这项实验是在一个特别选择的最佳地理位置进行的，以最大化太阳辐射并提高系统效率。图9中提供的综合数据集为不同环境条件下的被动太阳能蒸馏器的操作特性提供了宝贵的见解。

4.2.**预处理前蒸馏水质量与污染物去除效率的比较分析**

蒸馏水的质量在不同运行模式下存在显著差异，每种配置都表现出不同的污染物去除效率。通过将这些数值与以往的研究成果以及世界卫生组织（WHO）和国家饮用水质量标准（NDWQS）制定的基准进行比较，进行了全面评估。

4.2.1 不同运行模式下的盐度和总溶解固体（TDS）去除效率
在盐度去除方面，该系统实现了卓越的去除率：单独使用热能模式为99.99%，仅使用太阳能模式为99.60%，混合模式也为99.60%。这些结果远超其他研究报道的89.01% [25]、91.67% [39] 和 99.90% [40]，并且始终符合WHO的要求。同样，总溶解固体（TDS）的去除效率分别为：热能模式99.51%，太阳能模式99.61%，混合模式99.56%，优于文献中的99.78% [41]、88.41% [25]、87.75% [42]、98.28% [39] 和 99.89% [40]。值得注意的是，所有处理后的水样均符合安全阈值，证明了该系统在处理不同浓度的原水时的强大性能。一个特别显著的案例 [40] 显示出从44,586.7 mg/L 有效降低到48.5 mg/L，突显了该技术在极端TDS处理方面的能力。

图10和图11提供了与学术研究和监管标准的图形比较，直观地展示了该系统的卓越处理能力。这些数据共同证明了混合系统无论在何种运行模式或初始污染物水平下都能生产出符合标准的饮用水。

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**图10. 蒸馏后盐度水平的比较分析：本研究 vs. 文献基准。**
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**图11. 太阳能海水淡化中TDS去除效率的比较评估：实验结果 vs. 文献值。**

4.2.2 不同运行模式下的浊度和总悬浮固体（TSS）去除效率
该系统在所有运行配置下均显示出显著的浊度降低效果，去除效率分别为：热能模式97.29%，太阳能模式95.39%，混合模式95.55%。与以往研究的比较显示，其他研究的结果分别为99.87% [41]、35.71% [43] 和 83.61% [40]。其中 [43] 的去除效率较低可能源于蒸馏设备中使用了合成聚合物材料，这可能影响了过滤效果。

对于总悬浮固体（TSS），该系统的去除率分别为：热能模式95.15%，太阳能模式92.04%，混合模式96.19%，与文献中的99.78% [44]、94.28% [45] 和 88.06% [40] 相当。这种性能趋势与TDS去除趋势一致，表明颗粒物的去除机制可能是相似的。尽管有一项研究 [40] 报告了出色的TSS去除效果但没有给出具体解释，但这些结果共同强调了引入预处理过滤以优化颗粒物去除的潜在效益。

图12和图13将这些发现与研究基准和WHO标准进行了视觉对比，展示了该系统在水质净化方面的强大性能。热能模式在浊度降低方面表现尤为突出，而混合模式在TSS去除方面表现更佳，表明针对不同水质参数可能存在特定的优化机会。

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**图12. 太阳能海水淡化中浊度降低的比较分析：现有研究结果 vs. 已发表数据。**
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**图13. 太阳能海水淡化中TSS去除效率：本研究 vs. 文献基准。**

4.2.3 不同运行模式下的化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）去除效率
该系统在化学需氧量（COD）去除方面表现出卓越的效果，去除效率分别为：热能模式99.8%，太阳能模式99.75%，混合模式96.14%。这些结果显著超过了其他海水处理研究报道的86.99% [45]。值得注意的是，文献回顾显示，针对海洋环境中的COD去除的研究较少，这些发现具有创新性。虽然热能和太阳能模式都实现了接近完全的COD消除，但混合模式的性能略有下降，这可能是由于同时发生的处理机制之间的相互作用。混合运行下某些参数（尤其是硝酸盐和化学需氧量（COD）的去除效率较低，可以归因于同时进行的太阳能和电加热带来的特定热力学和质量传递效应。

在仅使用热能的条件下，水槽加热主要依靠太阳辐射，导致温度上升相对缓慢，水面和冷凝盖之间的垂直温度梯度稳定。这促进了受控蒸发，并减少了液-气界面的扰动，从而限制了非挥发性和溶解物种进入蒸汽相的过程。

相比之下，混合运行在水槽层面引入了额外的电加热，这可能导致加热元件附近温度迅速升高和局部湍流增加，增强了气泡形成和表面搅动。这种条件有利于微小液滴的携带，其中含有溶解离子（如NO??）和有机物质（COD成分）的液滴被物理带入蒸汽流中，而不是通过相变被排除。

此外，混合加热下的加速蒸发速率减少了物质在蒸发界面的停留时间，限制了通常用于防止非挥发性物质进入冷凝物的扩散分离过程的有效性。

特别是对于硝酸盐，其非挥发性离子特性意味着去除完全依赖于物理分离。因此，在混合模式下，湍流增加和液滴携带直接降低了其去除效率。在COD的情况下，低分子量有机化合物的存在可能通过气溶胶化或高温下的弱挥发性促进了部分转移，进一步解释了观察到的去除效果下降。

这些结果表明，虽然混合化提高了热输入和生产力，但同时也改变了界面传输机制，导致产量和选择性污染物去除之间的权衡。

对于生化需氧量（BOD），由于可用的研究有限，比较分析较为困难，只有一项研究 [25] 报告了97.53% 的去除效率。然而，该研究使用了污水作为进水，导致处理后的水超过WHO限值100%。相比之下，我们的系统实现了77.7%（热能模式）、30.9%（太阳能模式）和82.56%（混合模式）的BOD去除率，热能和混合模式都成功满足了WHO标准。仅使用太阳能模式的性能较差，表明氧化条件不足以完全降解BOD。

图14和图15将COD和BOD的结果与有限的类似研究和WHO基准进行了视觉对比。热能模式在有机污染物去除方面尤为有效，同时展示了混合系统在满足监管限制的同时处理多种污染物的能力。

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**图14. 太阳能蒸馏系统中COD去除效率的比较分析：现有研究结果 vs. 文献值。**
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**图15. 太阳能海水淡化中BOD的比较分析：实验结果 vs. 文献基准。**

4.2.4 不同运行模式下的硝酸盐和氨去除效率
该系统在不同运行模式下的硝酸盐去除效率有所不同，分别为：热能模式53.84%，太阳能模式29.3%，混合模式25.64%。这些结果与文献中的97.25% [46]、37.42% [43] 和 78.89% [40] 相比，表明硝酸盐去除仍有提升空间。虽然所有处理后的样品均符合WHO标准，但太阳能模式（29.3%）和混合模式（25.64%）的去除效率相对较低，这表明在处理高硝酸盐含量进水时存在潜在限制。[46] 报告的卓越去除效果（97.25%）强调了专门预处理的必要性。

氨去除尤其具有挑战性，去除效率分别为：热能模式70.17%，太阳能模式25.08%，混合模式25.08%——均超过了WHO的允许限值。值得注意的是，没有找到专门针对海水的氨去除研究，这凸显了研究领域的空白。这些发现强烈表明，在太阳能海水淡化系统中实施预处理过程对于有效控制氨至关重要。

图16和图17提供了该系统性能与已发表研究和WHO标准的综合视觉对比，揭示了三个关键发现：首先，它们展示了系统当前的硝酸盐去除能力相对于文献值的提升空间，尽管已满足基本水质标准；其次，数据强调了有效氨去除策略的紧迫性，因为当前的去除方法效果不足；第三，图表清楚地显示了不同运行模式下的性能差异，热处理在两种污染物方面的效果均更佳。这一比较分析指出了两个必要的系统优化方向：(1) 开发专门的预处理过程以提高硝酸盐去除效率，特别是对于高浓度进水；(2) 实施针对氨的特定处理技术以满足严格的饮用水标准。这些可视化结果强调了系统的当前能力以及全面去除污染物所需的改进。

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**图16. 蒸馏后硝酸盐浓度的比较分析：实验结果 vs. 已发表数据。**
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**图17. 太阳能海水淡化中氨去除的比较分析：实验结果 vs. 已发表数据。**

包括当前研究 [43]、[47] 和 [40] 在内的研究均证明了总大肠菌群的完全（100%）消除，证实了太阳能蒸馏技术在去除微生物病原体方面的有效性。在本研究和类似研究 [40] 中，海水进水样品中均未检出粪便大肠菌群。然而，一项使用污水污染进水的研究 [47] 报告了初始的粪便大肠菌群存在，随后通过太阳能蒸馏完全去除。这种在不同进水质量和系统配置下的卓越去除效果突显了太阳能蒸馏器在微生物去污方面的强大能力。总大肠菌群和粪便大肠菌群的持续100%去除率确立了太阳能蒸馏作为一种可靠的水净化方法，特别是在面临微生物水质挑战的地区具有价值。这些发现证实了该技术在处理严重污染水源时生产微生物安全饮用水的潜力。

4.3 预处理后的蒸馏水质量评估
初步的蒸馏水质量分析显示，在不使用预处理的传统太阳能蒸馏操作中，氨和硝酸盐的去除效果不佳。系统未能将氨浓度降低到WHO规定的水平，因此需要改进工艺。这是因为氨从水中分离的过程受到其挥发性和平衡行为的影响。虽然在高浓度和特定压力下氨-水系统可能表现出共沸特性，但这些条件不适用于太阳能海水淡化系统遇到的稀释浓度。因此，本研究中氨的去除主要受到挥发性和质量传递限制的影响，而不是真正的共沸约束。

为了克服这些限制，对三种预处理配置进行了比较评估：砂过滤、活性炭吸附和混合砂-活性炭过滤。

活性炭被证明是最有效的预处理介质，实现了96.67%的氨去除率和88.89%的硝酸盐去除率，成功满足了WHO的饮用水标准。这比未经处理的操作有了显著改进。活性炭系统还提高了浊度、盐度和粪便大肠菌群的去除率，分别提高了约8%。相比之下，砂过滤和混合配置的硝酸盐去除效果微乎其微。在最佳条件下，活性炭预处理的氨去除效率最高，达到了96.67%。报告值的差异归因于初始浓度和实验条件的不同。同样，硝酸盐的去除率在最佳情况下达到了88.89%，尽管平均去除率较低，表明其对操作条件敏感。

值得注意的是，所有预处理方法在总大肠菌群、总溶解固体（TDS）和化学需氧量（COD）去除方面改善有限。这种性能限制源于两个关键因素：(1) 过滤系统无法保留细小的活性炭颗粒；(2) 活性炭的选择性吸附特性，它优先吸附营养物质（如氨）而非其他污染物。

这些发现表明，基于活性炭的预处理有效解决了系统在氮化合物去除方面的主要缺陷，同时对其他水质参数也带来了次要改进。去除效率（%）是根据初始浓度与最终浓度之间的差异计算得出的。表4全面展示了预处理前后水质数据的对比，突出了通过活性炭集成所带来的显著提升。

**表4. 预处理和淡化对水质参数的影响**

| 参数 | 海水 | 预处理（平均值） | 预处理 + 海淡化（处理后） | WHO标准 | 马来西亚标准 |
|------|--------|------------|--------------|------------|
| 浊度（NTU） | 13.8 | 8.3 | 12.5 | 6.8 | 1.8 |
| 盐度（mg/L） | 6.7 | 5.8 | 7.3 | 0.1 | 8.5 |
| 总悬浮固体（mg/L） | 43 | 11 | 13 | 74 | 26.3 |
| 总大肠菌群（CFU/100 mL） | 82 | 105 | 72 | 100 | 100 |
| 粪便大肠菌群（E. coli）（CFU/100 mL） | 54.8 | 22.8 | 23.6 | 10.0 |
| pH | 6.2 | 4.6 | 6.8 | 7.0 | 4.5 |
| 氨（mg/L） | 5.1 | 5.2 | 4.9 | 0.6 | 0.2 |
| 硝酸盐（mg/L） | 0.9 | 0.7 | 0.5 | 0.6 | 3.3 |
| 总溶解固体（mg/L） | 292 | 27 | 142 | 92 | 94 |
| COD（mg/L） | 185 | 196 | 193 | 193 | 98 |

**4.4 太阳能淡化中氨去除的挑战和预处理效果**

初步的水质分析显示，未经预处理的蒸馏水中氨浓度超过了WHO的饮用水指南。传统太阳能蒸馏系统在氨去除方面存在固有局限，这归因于三个基本的物理化学性质：(1) 氨的沸点很低（-33°C），在蒸馏过程中促进早期挥发；(2) 氨和水的共沸行为阻碍了它们的完全分离，特别是在两者组成接近26%氨和74%水时；(3) 破裂氨-水共沸物需要大量能量。这些技术挑战尤其令人担忧，因为已知氨对健康有风险，包括长期暴露导致的慢性呼吸道和心血管问题。所实施的预处理系统成功解决了这些限制，使用2公斤活性炭过滤器时实现了氨的完全去除。预处理效果的比较分析（图18、图19、图20）显示水质有了显著改善，关键参数下的污染物去除效率提高了92-99.9%。活性炭的卓越性能源于其吸附和催化氧化能力的结合，尽管存在传统热分离过程的挑战，但仍能有效捕获和转化氨分子。

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图18. 预处理集成对太阳能蒸馏中氨去除效率的影响。
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图19. 预处理集成对太阳能蒸馏中硝酸盐还原的影响。
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图20. 预处理集成对太阳能蒸馏中盐度降低的影响。

这一技术进步代表了比传统太阳能蒸馏器更高的性能，有效克服了已知的氨去除限制，同时保持了系统的可持续能源特性。结果验证了活性炭预处理是实现符合WHO标准的饮用水生产的可行解决方案。

由于吸附位点的饱和，活性炭过滤器的性能预计会随时间下降。虽然本研究关注的是短期性能，但未来的工作应调查过滤器的使用寿命、再生潜力以及更换间隔，以确保持续的处理效率。

4.5. 增强型混合太阳能海水淡化系统的性能评估
使用（2）、（3）对三种不同运行配置（被动模式（仅太阳能辐射）、主动模式（仅光伏系统）和混合模式（光伏和太阳能辐射结合）的系统的能量转换效率进行了定量评估。计算出的日效率指标显示了显著的性能差异：
1. 被动模式效率：28.13%（仅太阳能辐射）
2. 主动模式效率：51.08%（仅光伏系统）
3. 混合模式效率：55.52%（光伏和太阳能辐射结合）

通过比较电池提供的电能输入与获得的额外蒸馏水量来评估混合系统的能量性能。混合模式需要额外的电能来维持蓄水池温度在60°C；然而，这导致产水量显著增加。此外，必须根据季节变化优化PCM（相变材料）的选择，以在不同环境条件下保持效率；例如，在冬季使用C18烷烃，在夏季使用52-54烷烃可以在极端气候下比非适应性系统提高35%的性能[48]。这展示了能量与产量的正面权衡，尽管还需要进一步优化以减少能耗。混合配置表现优异，其效率比被动模式提高了97.4%，比仅光伏模式提高了8.7%。这些性能显著超过了类似研究中的报告值[49]（32.6%）、[50]（32.46%）和[51]（30.42%），分别提高了70.3%、71.1%和82.5%。

这些结果验证了增强型混合系统在太阳能利用方面的技术进步，特别强调了：
- 太阳能-热能和光伏结合运行的协同效应
- 与传统太阳能蒸馏器设计相比的显著效率提升
- 海水淡化应用中的能源转换能力改进

所示的28.13-55.52%的效率范围为混合太阳能蒸馏器的性能树立了新的标杆，其中55.52%的峰值效率代表了太阳能淡化技术领域的显著进步。

4.6. 初步经济分析
进行了初步经济评估，以评估系统的成本效益。估算了关键参数，包括资本回收因子（CRF）、首年成本（FAC）、沉降基金因子（SFF）、年度维护成本（AMC）、年度成本（AC）、平均年产量（m?）、净利润（NP）和回收期（PP）。根据[52]中的海水淡化经济关系计算出生产蒸馏水的年度成本（ACP=0.0892美元/升）。
假设包括系统寿命为20年、利率为12%、残值为20%、FAC维护成本为15%以及每年340天的运行天数。分析表明，由于更高的年产量，混合系统的单位水成本低于被动系统，这支持了其在水资源短缺地区的分散式水生产的经济可行性。

5. 结论和未来工作建议
5.1. 结论
本研究成功开发并评估了一种增强型混合太阳能海水淡化系统（EHSDS），该系统将光伏（PV）技术与传统太阳能蒸馏结合，显著提高了水产量和质量。光伏板的引入使得即使在无阳光的情况下也能通过储存的太阳能持续运行。这一创新不仅提升了可持续性，还确保了无论太阳能是否可用都能可靠地生产清洁水。该系统在不同运行模式下实现了显著的蒸馏产量，最大日产量分别为4.7升/平方米·天（仅太阳能）、19.7升/平方米·天（仅光伏）和20.3升/平方米·天（混合模式）。这些结果远远超过了先前研究的产量，突显了太阳能热能与光伏技术结合的有效性。特别是混合模式表现出色，效率达到了55.52%，超过了文献中类似系统的性能（30.42–32.6%）。

水质分析表明，运行模式显著影响处理效率。较高的温度更有效地去除了营养物质污染物（氨、硝酸盐）和总固体，而太阳能辐射尤其是紫外线照射对病原体消除至关重要（100%的大肠菌群去除）。然而，太阳能照射不足的系统由于紫外线穿透有限，导致微生物消毒效果减弱。

预处理在处理顽固污染物方面发挥了关键作用。预处理前，氨和硝酸盐的水平超过了允许限值，但引入基于活性炭的过滤系统极大地提高了去除效率（氨去除率为96.67%，硝酸盐为88.89%）。沙子和混合（沙子+活性炭）预处理对硝酸盐的效果较差，这突显了活性炭的优越吸附性能。此外，通过活性炭预处理，浊度、盐度和粪便大肠菌群的去除率提高了约8%，尽管其细颗粒对总溶解固体（TDS）、总悬浮固体（TSS）和化学需氧量（COD）的减少影响可以忽略不计。

本研究通过光伏混合技术提高了生产效率，通过预处理改善了水质，实现了高效率（55.52%），并为分散式供水提供了可持续方案，未来的工作将集中在耐用性、可扩展性和集成性上。

5.2. 未来研究建议
本研究关于增强型混合太阳能蒸馏系统的发现突出了未来研究几个关键领域，以推进太阳能淡化技术的发展。首先，应优先考虑系统设计优化，以提高效率和蒸馏产量。这包括研究最佳的光伏板配置，如倾斜角度和位置，以最大化太阳能捕获并提升热性能。此外，研究还应探索先进的热传递机制，包括使用纳米流体或改进的热交换器设计，以提高蒸发速率。还应改进太阳能热收集器、光伏板和存储系统等组件的集成，以减少能量损失，并确保在不同条件下的无缝运行。

进一步开发预处理系统对于解决持续的水质挑战至关重要。未来的研究应评估新型吸附材料，如氧化石墨烯或功能化生物炭，以针对性去除氨、硝酸盐和其他顽固污染物。将吸附与光催化或电化学处理等辅助过程结合可以增强污染物降解。研究还应评估预处理的可扩展性，考察在不同进水质量和流速下的性能，以确保实际应用的适应性。

需要进行全面的环境和可持续性评估，以验证该系统的生态优势。未来的工作应量化混合系统的碳足迹，并在同等产出条件下将其与传统海水淡化方法（如反渗透）进行比较。还需要评估水-能源关系，以优化资源效率，平衡能源输入与淡水回收率。经济可行性研究应探讨各种部署场景下的成本效益比，包括农村离网社区和城市环境，同时考虑长期维护和材料费用。

最后，将混合太阳能蒸馏器与互补的可再生能源系统集成可以增强可靠性。研究风能或生物质能的协同效应，可以在太阳辐射较低期间确保系统稳定运行。此外，重新利用工业过程中的低级废热可以进一步提高能源效率。通过解决工程、材料科学和环境分析这些跨学科的研究差距，这项技术可以朝着可扩展和可持续的实施方向发展。在这些领域的持续创新将是使太阳能淡化成为解决全球水资源短缺问题的可行方案的关键。

作者贡献声明
Balbir Singh Mahinder Singh：监督、资源、概念化。
Husna Bint Takaijudin：监督、资源、资金获取、形式化分析。
Abubakar Sadiq Isah：撰写 - 原稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式化分析、数据管理、概念化。
Jazuli Abdullahi：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿、方法学。
Musa Ibrahim：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿、方法学。
Aliyu Ishaq：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿、形式化分析。